【科技自立自强】西安交大物理学院TFML-MMSH研究小组在智能材料物理研究领域取得系列进展

  近年来，先进精密制造领域对具有高机电性能的压电材料需求日益迫切。目前，主流商业化的压电体仍以铅基钙钛矿压电陶瓷PZT为主，这还在于其可以在满足成本效益的同时兼顾宽温域高压电常数的要求。然而，铅因其对人类健康及环境的毒性，已使其在电子器件中的应用受到世界主要经济体的严格限制。当前，开发环境友好型无铅压电陶瓷并推进其应用，仍面临严峻挑战；其中，如何在无铅体系中同时实现大电致应变、高应力输出及优异耐热性，是一个亟待解决的核心科学问题。

  针对这一挑战，西安交通大学物理学院张乐研究员提出，通过稀土元素调控玻璃态准同型相界结构及其相变路径，可获得优异的机电耦合性能。该团队成功在Sm掺杂的(Bi,Na)TiO3-BaTiO3基无铅压电陶瓷中实现了压电性能的显著提升：室温对称电致应变和弹性模量分别提高了~135%和~50%(如图1所示)，其优异的电致应变响应还可以在293-353K温度范围内保持。这一新策略大幅增强了材料在复杂工况下的应用效能，为高性能无铅压电材料的研发与应用提供了创新思路，尤其在精密位移驱动器和高效能量转换系统领域具备极其重大价值。

  上述研究成果以“Superior Electromechanical Power at Rare-Earth Manipulated Glassy Morphotropic Phase Transitions”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Science》。西安交通大学物理学院为第一通讯单位，张乐研究员为论文第一作者，共同通讯作者包括杨森教授（物理学院）、王栋教授（前沿院）、陈凯运博士（西北有色院）和阳教授（澳大利亚新南威尔士大学）。

  前期研究表明：T-R准同型相界（MPB）的引入可以有效提升无铅钛酸钡基（BT）和钛酸铋钠基（BNT）压电材料静态与动态压电响应。迄今为止，BT陶瓷的静态压电常数d33已借助MPB策略提升至可与商用铅基压电陶瓷PZT相媲美的水平，这得益于MPB处T相与R相之间较低极化各向异性导致的低极化旋转能垒。但是如何逐步提升其动态电致应变响应并兼具宽温域稳定性一直是领域关注的重要科学技术问题之一。

  张乐研究员基于对MPB相变过程及其性能调控物理机制的深入分析，通过在BNT-BT基无铅压电陶瓷体系中引入B位Ta非等价掺杂，成功构建了玻璃态铁电转变过渡区域，实现了电致应变及其耐热性的显著提升，在300-380 K温度范围内，实现了~0.4%的电致应变输出且其热波动小于5%。图2相场模拟根据结果得出，相比较于临近成分，玻璃态铁电相变过渡区的电致应变增强与耐热性优化可归因于在具有弛豫-准同型相界相变特征的材料组分中嵌入了铁电玻璃态 (Ferroelectric+Glass→Glassy ferroelectric crossover)。该工作为宽温域高性能压电材料的研发与应用提供了新思路。

  图 2. BNT-BT-xTa体系的电致应变相场模拟测试结果。(a-c) 1-3Ta样品在300-380 K 温度范围内的变温S-E模拟回线Ta 的绝对电致应变S在300-380K温度内的变化趋势对比，Smax定义为2Ta 过渡态成分在设定的Emax下的最大电应变，相场模拟结果完美符合实验观测。

  我国“碳中和”和“碳达峰”目标的实现离不开节能环保制冷技术的发展，当前亟需开发高效率节约能源的新型制冷手段以替代传统低效的压缩制冷方式。相较于传统技术，弹卡固态制冷系统具有无噪音、高效、绿色环保等显著优势，展现出高冷却能效和可持续性的巨大潜力，成为极具前景的替代制冷方案，同时这类系统避免了传统压缩制冷中有害制冷剂泄漏的风险。

  本研究团队通过与前沿院王栋教授团队紧密合作，深入探究Sc掺杂对Ti-Ni基形状记忆合金弹热效应的影响及其作用机制。研究之后发现：Sc掺杂可明显提升合金的弹热性能 (图3)：固溶态(Ti₄₉.₂Ni₅₀.₈)₉₉.₈Sc₀.₂合金的最高绝热气温变化达到-37.41 K，熵变约为74 J/kg·K；在经623 K/10h时效处理后，其弹热效应仍最大能够达到-31.56K，同时低场弹热效应稳定性进一步提升，可以在100次加载循环中实现~ -15K的稳定温变，其COP系数稳定在32。微观结构分析表明，B2-R-B19两步式马氏体相变的引入和Ni₄Ti₃沉淀相及Sc₂O₃/ScO颗粒的形成，共同强化了Ti-Ni合金基体，并增强了其弹热效应和循环稳定性。该研究证实了Sc掺杂Ti-Ni合金可实现巨大弹热效应，在实用化固态冷却技术领域展现出广阔前景。

  上述研究成果以“Enhanced elastocaloric effect in Sc-doped TiNi shape memory alloys”为题，近期发表于金属材料领域国际知名期刊Scripta Materialia。西安交通大学为论文第一通讯单位。物理学院张乐研究员、中国有色金属加工技术有限公司何向问、前沿院王栋教授为共同通讯作者。

  以上工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，澳大利亚研究学会基金、国家留学基金委项目、中国博士后基金、西安交通大学青年拔尖人才计划等项目资助。其中计算工作同时得到了西安超算中心提供的大力支持。

  张乐，西安交通大学物理学院特聘研究员、校青年拔尖人才、博士生导师，智能材料与传感团队TFML-MMSH实验室主任，澳大利亚研究学会DECRA Fellow；长期专注于智能材料高性能化实验设计及多尺度计算模拟方法。

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